人工神经网络辅助建模亚甲基蓝染料在 ZIF-8 功能化鱼尾棕榈种子生物质上的吸附：等温线与性能分析

《Hybrid Advances》：Artificial neural network-assisted modelling of methylene blue dye adsorption onto ZIF-8 functionalized fishtail palm seed biomass: Isotherm and performance analysis

　　

本研究调查了酸活化并经沸石咪唑酯骨架材料 -8（ZIF-8）功能化的鱼尾棕榈种子生物质（ATFPS-ZIF-8）对水溶液中亚甲基蓝（MB）染料的高效去除吸附性能。傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征证实了负责增强吸附活性的功能基团的存在。研究人员开展了批量吸附实验，以评估初始染料浓度、吸附剂剂量、pH 值、接触时间和温度对 MB 染料去除的影响。在 pH 值为 5、吸附剂剂量为 2.5 g/L 以及接触时间为 60 分钟的条件下，实现了约 95% 的最高染料去除效率，而吸附效率随初始染料浓度的增加而降低。吸附性能随温度升高而略有下降，表明该吸附过程具有放热性质。等温线分析表明，吸附遵循朗缪尔（Langmuir）模型，最大单层吸附容量为 122.69 mg/g，暗示了均匀的单层吸附。此外，研究人员开发了一种人工神经网络（ANN）模型来预测吸附性能，该模型与实验结果表现出极好的一致性，相关系数值大于 0.99 且预测误差较低。研究结果突出了鱼尾棕榈种子生物质与 ZIF-8 在制备可持续、低成本且高效的染料污染废水处理吸附剂方面的协同效应。

随着快速的城市化和工业化进程，大量含有合成染料的危险污染物被排放至水体中，其中纺织、皮革、造纸及制药行业排放的染料废水因其复杂的芳香结构、抗生物降解性及在水体中的持久性，对环境可持续性构成严重威胁。亚甲基蓝（MB）作为一种常用的阳离子染料，若高浓度直接排放，会导致水体透光率下降，干扰水生植物光合作用，并因其潜在的毒性、致突变性和致癌性危害生态与人类健康。传统的化学氧化、混凝及膜处理等方法存在运行成本高、产生二次污泥或易受污染等局限性。吸附法因其操作简便、成本低廉及高效 versatile 等优势成为研究热点，特别是基于农业废弃物的生物质吸附剂，符合循环经济原则。然而，原始或单纯活化的生物质吸附剂在处理结构稳定的染料时效率有限。沸石咪唑酯骨架材料（ZIFs），特别是 ZIF-8，凭借其高比表面积、可调孔隙率及优异的理化稳定性，成为极具潜力的新型吸附材料。将生物质与 ZIF-8 复合，有望通过协同效应提升吸附性能。此外，引入人工神经网络（ANN）等数据驱动模型，可有效处理输入变量与输出响应间的非线性关系，优化预测精度。鉴于此，研究人员制备了一种新型的酸活化鱼尾棕榈种子生物质功能化 ZIF-8 复合材料（ATFPS-ZIF-8），旨在结合生物质的低成本优势与 ZIF-8 的高性能特点，并辅以 ANN 模型进行过程预测与优化，以解决工业染料污染问题。该研究成果发表于《Hybrid Advances》期刊。

为开展此项研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，采集并预处理鱼尾棕榈（Caryota urens）种子，经清洗、干燥、粉碎及筛分后，利用 1 M 磷酸（H₃PO₄）进行化学活化浸渍，以增加孔隙率和表面官能团；其次，采用原位生长法，将硝酸锌六水合物与 2-甲基咪唑在甲醇溶液中反应，使 ZIF-8 晶体均匀生长在活化生物质表面，制得 ATFPS-ZIF-8 复合材料；随后，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）对材料进行表征，确认功能基团及 ZIF-8 的成功负载；接着，开展批量吸附实验，系统考察 pH 值、吸附剂剂量、接触时间、初始染料浓度及温度等操作参数对 MB 去除率的影响，并结合朗缪尔（Langmuir）、弗罗因德利希（Freundlich）、Redlich-Peterson 及 Sips 等多种等温线模型及热力学参数进行分析；最后，构建前馈反向传播人工神经网络（ANN）模型，以时间、浓度、pH、剂量和温度为输入变量，MB 去除率为输出变量，通过训练集、验证集和测试集对模型进行训练与评估，以实现对吸附性能的高精度预测。

研究结果部分主要包含以下内容：
**表征研究**：FTIR 分析显示，ATFPS-ZIF-8 在 3259 cm^-1处出现羟基（-OH）伸缩振动峰，1573 cm^-1处出现咪唑环 C=N 振动峰，642 cm^-1处出现典型的 Zn-N 伸缩振动峰，证实了 ZIF-8 成功负载于生物质表面，且酸活化增强了表面功能基团，为氢键和静电相互作用提供了基础。
**工艺参数影响研究**：pH 值研究表明，在 pH 5.0 时吸附效率最高（约 90%），酸性过强会导致 H⁺竞争吸附位点，碱性过强则可能引起表面电荷变化或染料聚集；吸附剂剂量研究显示，随着剂量从 0.5 g/L 增至 2.5 g/L，去除率显著提升，最佳剂量为 2.5 g/L（去除率约 95%），过量会导致颗粒团聚降低有效表面积；接触时间研究表明，吸附在初始阶段迅速，60 分钟达到平衡；温度研究发现，随着温度从 303 K 升至 333 K，吸附效率下降，表明该过程为放热反应；初始染料浓度研究表明，低浓度下去除率较高，高浓度下因吸附位点饱和导致去除率下降。
**等温线研究**：实验数据与朗缪尔（Langmuir）模型拟合度最高（R²=0.9696），最大单层吸附容量（q_m）为 122.69 mg/g，表明吸附主要为均相单层吸附；弗罗因德利希（Freundlich）和 Sips 模型也显示出一定的拟合度，提示表面存在轻微异质性。
**热力学研究**：吉布斯自由能（ΔG°）均为负值且随温度升高负值减小，表明吸附是自发且随温度升高自发性降低的过程；焓变（ΔH°）为负值（-51.065 至 -13.693 kJ/mol），证实了吸附的放热性质；熵变（ΔS°）为负值，说明固液界面有序度增加。
**ANN 建模研究**：ANN 模型在训练集、验证集和测试集上的相关系数（R）均大于 0.99，均方误差（MSE）极低，误差直方图集中在零附近，回归分析显示预测值与实验值高度吻合，雷达图进一步验证了模型在不同工况下的稳健性和泛化能力，证明 ANN 能准确捕捉吸附过程中的非线性关系。

讨论与结论部分总结指出，本研究成功制备并验证了 ATFPS-ZIF-8 作为一种高性能、环保型吸附剂在去除亚甲基蓝染料方面的潜力。FTIR 证实了材料的有效复合。批量吸附实验确定了最佳操作条件为 pH 5.0、剂量 2.5 g/L、接触时间 60 分钟。热力学分析确认了吸附过程的自发性和放热性。等温线分析表明 Langmuir 模型最能描述该吸附行为，最大吸附容量达 122.69 mg/g，优于多种传统生物质吸附剂。ANN 模型展现了卓越的预测能力（R > 0.99），能够准确模拟工艺变量间的非线性相互作用且无过拟合现象。成本分析显示该材料生产成本约为 12.2 USD/kg，相较于商业活性炭和先进纳米材料具有显著的经济优势。综上所述，结合生物质增值、纳米材料功能化及人工智能建模的多学科策略，为工业染料污染治理提供了一种具有广阔应用前景、经济可行且环境友好的解决方案，并为该工艺的规模化放大及实时优化奠定了坚实基础。